Волковой М.С. Метрология

171

Рис. 3.25. Мостовая схема включения дифференциального индуктивного датчика

Две катушки дифференциального индуктивного датчика и резисторы R1 и R2 включаются по мостовой схеме, где токи I1 и I2 определяются индуктивными сопротивлениями Z1 и Z2 : Z1 Z2; I1 I2; Iвых I1 I2 0.

3.1.3.2. Трансформаторные преобразователи

Трансформаторный датчик, показанный на рис. 3.26, имеет клапан, сердечник и две катушки.

W1	W2
	~	Uвых

а			б							в
	Рис. 3.26. Трансформаторный датчик:

а– трансформаторный датчик; б – его статическая характеристика;

в– дифференциальный трансформаторный датчик

U

W ;

F

I1W1

;

U

W

I1W1

M I

,

R

R

2

2

R

2

2

1

м

м

м

где M – коэффициент взаимоиндукции, M WW

S

; U2 – выходное на-

1 2

пряжение датчика; W1, W2 – число витков первичной и вторичной обмоток; I1 – ток в первичной обмотке; ω – круговая частота; Rм – магнитное сопротивление магнитному потоку; μ – магнитная проницаемость сердечника; Ф – магнитный поток; F – магнитодвижущая сила; S – сечение магнитного

172

сердечника; δ – воздушный зазор; U2 – напряжение питания трансформаторного датчика.

Выходное напряжение датчика является функцией зазора. При Х = 0= 0– максимальный зазор (напряжение минимальное, перемещение максимальное). По мере приближения клапана к сердечнику ЭДС Е2 нелинейно растет по гиперболе.

Недостатки датчика:

–влияние параметров окружающей среды;

–нелинейная характеристика;

–зависимость от частоты питающего напряжения;

–влияние сил взаимодействия между клапаном и сердечником.

Для устранения данных недостатков трансформаторный датчик включают по дифференциальной схеме, показанной на рис. 3.26,в.

Вращающиеся трансформаторы углов поворота

Описанные выше реостатные и трансформаторные преобразователи позволяют преобразовывать полный угол поворота в электрический сигнал. Однако в станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и в робототехнике необходимо измерять угол поворота n360°, где n составляет 10–20 оборотов. Для измерения больших угловых перемещений n360° применяются электромашинные преобразователи, например вращающиеся трансформаторы (ВТ). Электромашинные преобразователи угла можно разделить на четыре типа: ВТ, индуктосины, редуктосины, сельсины. Эти преобразователи угла практически вытеснили в настоящее время другие типы (резистивные, емкостные) преобразователей, превзойдя их по надежности, точности и устойчивости к механическим и климатическим воздействиям, а также по удобству сопряжения с электронной преобразовательной аппаратурой.

ВТ – неявно полюсная машина с равномерно распределенными зубцами статора и ротора. Обычно он имеет по две обмотки на статоре и роторе. Оси каждой пары сдвинуты на геометрический угол 90°. Первичные обмотки – обмотка возбуждения и квадратурная, вторичные – синусная и косинусная. Индексы обмоток соответственно f, k, a, b. Токосъем осуществляется контактным (с помощью контактных колец и щеток) или бесконтактным способом (с помощью кольцевых трансформаторов или спиральных пружин). Из различных схем включения ВТ главными являются си- нусно-косинусный (СКВТ), линейный (ЛВТ), преобразователь координат (ПК), индукционный фазовращатель (ФВ). Выходные напряжения ВТ изменяются по синусоидальному и косинусоидальному законам при выполнении одного из условий Zf = Zk (первичное симметрирование) или Zа = Zb (вторичное симметрирование), где Zf – сопротивление обмотки питания, Zk – сопротивление квадратурной обмотки, Zа – сопротивление синусной

173

обмотки, Zb – сопротивление косинусной обмотки. На рис. 3.27,а показана схема включения ВТ в синусно-косинусном режиме.

ZK	FK

Uf

Uf

	a		a
			ZНБ
ZH	b	ZH	b

а

б

Рис. 3.27. Схемы включения ВТ

На рис. 3.27,б приведена схема включения ВТ в линейном режиме. В этом режиме линейность выходного напряжения ВТ от угла поворота достигается при определенных условиях симметрирования и коэффициента трансформации. В диапазоне изменения угла от –60° до +60° характеристика выходного напряжения не отличается от линейной характеристики, более чем на 0,06 %.

Индуктосин

Вращающийся (поворотный) индуктосин представляет собой 2 диска из электроизоляционного материала с печатными обмотками. Один из дисков (ротор) соединен с контролируемым валом, другой (статор) – закреплен. Диски расположены соосно и параллельно. На смежные поверхности дисков нанесены печатные обмотки: на статоре – обмотка питания, на роторе – синусная и косинусная обмотки. Электромагнитная связь между обмотками осуществляется за счет потока, проходящего через воздушный зазор. Основным достоинством индуктосина является его высокая точность, достигающая единиц угловых секунд. Точность обеспечивается благодаря увеличению числа пар полюсов. Недостатком индуктосина является низкий уровень выходного сигнала. Если у многополюсного ВТ классической конструкции коэффициент трансформации n = 0,2–0,8, то у индуктосина n = 0,1·10-3. Напряжение питания 4,5 В, частота питания 4–16 кГц.

174

Редуктосин

Индукционный редуктосин представляет собой многополюсной бесконтактный ВТ, состоящий из статора с большим числом зубцов, собранного из листов электротехнической стали, и ротора, выполненного в виде зубчатого колеса из электротехнической стали. В пазы статора укладываются три обмотки – возбуждения f, синусная и косинусная. Конструктивно, меняя ширину зубцов и скос пазов, добиваются, чтобы ЭДС во вторичных обмотках изменялась по синусоидальному и косинусоидальному закону. Достоинствами редуктосина являются бесконтактность, высокая надежность, удобство компоновки.

Пример. Редуктосин БСКТ-128 имеет следующие параметры: Uп = 36 В, fп = 400 Гц, Uвых max = 1 В, число пар полюсов p = 32, погрешность ±0,5', диаметр наружный 65 мм, осевая длина 16 мм, масса 195 г.

Для преобразования выходного сигнала ВТ в цифровую форму разработаны и серийно выпускаются цифровые преобразователи угла (ЦПУ). Погрешность преобразования составляет 0,05–30 угловых минут.

3.1.3.3. Вихретоковые преобразователи

Принцип действия вихретокового преобразователя основан на изменении индуктивности и взаимоиндуктивности катушек при приближении к ним проводящего тела. Глубина проникновения магнитного поля в материал определяется формулой

Z0,05 2 ,

где ω – круговая частота, μ – магнитная проницаемость магнитопровода, γ– удельная проводимость.

Магнитное поле катушки наводит в материале ЭДС, которая создает ток Фуко. Ток вызывает вторичный магнитный поток, направленный против магнитного поля катушки, его вызвавшего. На низких частотах (50 Гц) для меди и алюминия значение Z0,05 составляет около 10 мм, на высоких частотах (500 кГц) глубина проникновения уменьшается до 0,01 мм.

Рис. 3.28. Искажение магнитного поля катушки при приближении проводящей пластины

175

На рис. 3.28 показано, как искажается магнитное поле катушки при приближении проводящей пластины. Присутствие вблизи витка с переменным током проводящей среды приводит к изменению его первоначального сопротивления: активное сопротивление витка увеличивается за счет роста потерь в проводящей среде, а индуктивное сопротивление уменьшается. Влияние вносимых сопротивлений Rвн и Xвн зависит при постоянной частоте питания и геометрических размерах обмотки от расстояния δ между обмоткой и пластиной.

Вихретоковые преобразователи находят самое широкое применение в области бесконтактного контроля линейных размеров тонких пластин и толщины покрытий (индукционная толщинометрия), обнаружения дефектов – поверхностных царапин, трещин, а также при измерении параметров вибрации.

Принцип действия магнитоупругих преобразователей основан на изменении магнитной проницаемости μ ферромагнитных тел в зависимости от возникающих механических напряжений (магнитоупругий эффект) от воздействия сжимающих, растягивающих, изгибающих и скручивающих

сил. Относительное изменение магнитной проницаемости		для раз-

личных материалов составляет 0,5–3,0 % при изменении механического напряжения σ на 1 МПа. Магнитоупругие преобразователи составляют две группы. К первой относятся преобразователи, в которых изменение магнитной проницательности чувствительного элемента происходит в одном направлении и магнитный поток в них направлен вдоль линии действия усилий (рис. 3.29,а,б).

В преобразователях этой группы под действием силы Р изменяется магнитная проницаемость, что вызывает изменение индуктивности (см. рис. 3.29,а) или взаимоиндуктивности между обмотками (рис. 3.29,б). Реализуются следующие цепи преобразований от усилия Р: Р → σ → μ→ ZM

→ L → Zx или Р → σ → μ→ ZM → М → Е2.

Ко второй группе относятся преобразователи, в которых магнитная проницаемость изменяется одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В этих преобразователях (рис. 3.29,в) магнитный поток направлен под углом 45° к линии действия измеряемого усилия. В ненагруженном состоянии преобразователя силовые линии первичной обмотки (рис. 3.29,г) не сцепляются с вторичной обмоткой (поле направлено вдоль плоскости витков вторичной обмотки). ЭДС вторичной обмотки при этом равна нулю. После приложения усилия магнитная проницаемость вдоль действия силы уменьшается, а перпендикулярно действию силы – увеличивается (рис. 3.29,д). Магнитное поле обмотки питания будет проходить под некоторым углом к виткам вторичной обмотки. Во вторичной обмотке индуцируется ЭДС, пропорциональная величине силы.

176

а

б

г

в

P ≠ 0

mV

е

д

Рис. 3.29. Магнитоупругие преобразователи силы

Аналогичные (магнитоанизотропные) свойства проявляются и при скручивании ферромагнитных тел (рис. 3.29,е). Этот эффект, называемый эффектом Видемана, заключается в том, что при прохождении переменного тока по проводнику, проходящему через канал в стержне, на который воздействует крутящий момент, в стержне кроме кругового магнитного потока возникает продольный магнитный поток, наводящий в обмотке ЭДС, пропорциональную крутящему моменту. Проводник с током и об-

177

мотка не имеют непосредственного механического контакта со стержнем, нагруженным моментом Мкр. Существует и обратный магнитоупругий эффект (магнитострикция), когда внешнее магнитное поле вызывает механические деформации ферромагнитного тела. Относительную чувствительность магнитоупругого материала можно характеризовать, как и у тензорезисторов, коэффициентом тензочувствительности

				EM
K					.
	L
				EL
		L

Относительную магнитоупругую чувствительность материала опре-

деляют отношением к механическому напряжению σ.

Магнитоупругие преобразователи находят широкое применение для измерения сил, давлений и крутящих моментов.

3.1.3.5. Индукционные преобразователи

Индукционные преобразователи основаны на использовании закона электромагнитной индукции. Согласно закону электромагнитной индукции ЭДС в катушке (контуре) определяется формулой

Е = –dψ/dt,

где ψ – потокосцепление.

Таким образом, выходной величиной индукционного преобразователя является ЭДС, а входной – скорость изменения потокосцепления. Если катушка имеет W витков, то

Е = –dψ/dt = – WdФ/dt,

где Ф – магнитный поток.

Индукционные преобразователи можно разделить на две группы.

Впреобразователях первой группы магнитное сопротивление на пути постоянного магнитного потока постоянно, а индуцированная ЭДС наводится в катушке благодаря линейным (рис. 3.30,а) или угловым (рис. 3.30,б) перемещениям. При этом в некоторых конструкциях катушка выполняется неподвижной, а перемещается магнит.

Впреобразователях второй группы постоянный магнит и катушка неподвижны, а индуцированная ЭДС наводится путем изменения магнитного потока вследствие колебаний полного магнитного сопротивления цепи. Конструкции таких преобразователей показаны на рис. 3.30,в,г.

На рис. 3.30,в вращается индуктор 1 с зубцом относительно магнитной головки 2. Зазор минимальный между зубом индуктора и головкой не превышает 0,1 мм. При этом магнитное сопротивление минимально.

			178
				N
N	S
N	S
N	S			S
	а
			б
1
			2
	S	N	N	S

		wв					г
					w
Рис. 3.30.						перемещения
		Конструкции преобразователей скорости

Индукционные преобразователи, представляющие собой небольшие генераторы постоянного либо переменного тока, используются в приборах для измерения скорости вращения валов (тахометры), а также в приборах для измерения скорости линейных и угловых перемещений.

3.1.3.6. Магнитомодуляционные преобразователи

Магнитомодуляционные преобразователи представляют собой устройства, содержащие магнитную систему и элемент, чувствительный к изменению магнитного поля (магнитометр). При взаимном перемещении этих элементов меняется напряженность магнитного поля, пронизывающего магнитометр, и, соответственно, величина выходного сигнала. К магнитомодуляционным преобразователям относятся элементы Холла, магниторезисторы и магнитоуправляемые герметизированные контакты.

Элементы Холла

Преобразователь Холла, показанный на рис. 3.31,а, представляет собой четырехполюсник, выполняемый в виде тонкой пластины или пленки из полупроводникового материала.

			179
а			1	l
			3
	1	b	a	2
d
	I		4
б	3		в	3
1		2	1	2
R	4		R	R
				4
	г

3 1 2 4

Рис. 3.31. Преобразователь Холла

Токовые электроды 1 и 2 выполняются по всей ширине поперечных граней, что обеспечивает равномерное распределение входного тока по сечению преобразователя. Потенциальные (Холловские) электроды 3 и 4 расположены в центральной части продольных граней.

Эффект заключается в возникновении поперечной разности потенциалов (ЭДС Холла) на боковых гранях пластины, обусловленных изменением траектории движения заряженных частиц в магнитном поле. Воздействие магнитного поля на движение заряженной частицы определяется уравнением

m 2 Be , R

где m – масса частицы, e – заряд частицы, ν – скорость частицы в электрическом поле, R – радиус искривления траектории.

Вследствие искривления траектории на одной из боковых граней концентрация зарядов одного знака увеличивается, а на противоположной грани уменьшается. Возникающая при этом разность потенциалов (ЭДС Холла) определяется выражением

IB

Ux h Kx,

180

где I – ток, протекающий через пластину, В – индукция внешнего поля, h – толщина пластины, Kx – коэффициент, зависящий от материала пластины (подвижность носителей, удельное сопротивление).

В качестве материалов в датчиках Холла применяются кремний, германий (ДХК, ДХГ), сурьмянистый индий, мышьяковистый индий и др. Пластины толщиной h = 0,01–0,2 мм вырезаются из монокристаллов или в виде поликристаллических пленок, наклеиваются на подложку из радиотехнической слюды, ультрафарфора или ситалла. Выходная величина преобразователя Холла пропорциональна произведению двух входных величин – тока и магнитной индукции, следовательно, он является множительным преобразователем. При постоянных во времени I и В ЭДС Холла – постоянная величина. Если одна из входных величин (I или В) постоянная, а другая переменная, то ЭДС Холла будет переменной величиной той же частоты, что и частота входной переменной величины. В случае, если обе входные величины имеют одну и ту же частоту и сдвинуты по фазе на угол φ, ЭДС Холла будет состоять из постоянной составляющей и переменной составляющей двойной частоты:

Eх	Кх	BI	cos K	х	BI	cos(2 t ).
		h			h

Если ток изменяется с частотой ω1, а поток с частотой ω2, то ЭДС Холла содержит две составляющие, одна из которых имеет частоту ω1–ω2 , а другая ω1+ω2. Чувствительность к магнитной индукции SВ определяется при номинальном значении входного тока Iном = const и для серийных преобразователей составляет 0,03–1 В/Тл. Значение тока Iном ограничено температурой нагрева и составляет 5–50 или 100–200 мА в зависимости от входного сопротивления. Некоторые разновидности преобразователей Холла характеризуются очень малым температурным коэффициентом чувствительности, малым остаточным напряжением, малой погрешностью линейности при магнитных индукциях до 15 Тл и широким диапазоном рабочих температур (от –270° до +100°). Остаточным напряжением преобразователя Холла называется напряжение, которое возникает между электродами при прохождении через преобразователь номинального тока при отсутствии магнитного поля.

Схемы коррекции остаточного напряжения приведены на рис. 3.31,б, в. Сопротивления резисторов R1 и R2 должны быть на два порядка больше входного сопротивления преобразователя (сопротивление между токовыми электродами 1, 2).

Правильное расположение электродов при монтаже приведено на рис. 3.31,г. Наиболее широкое применение преобразователи Холла получили для измерения параметров постоянных, переменных и импульсных магнитных полей и для определения характеристик ферромагнитных материалов. Кроме того, они используются для измерения ряда других физических величин, которые легко преобразуются в изменение магнитной ин-